200Wawrzyński-art.pdf
(
259 KB
)
Pobierz
Wojciech Wawrzyński
Akademia Morska w Gdyni, Katedra Eksploatacji Statku
WPŁYW STANDARDOWEJ POPRAWKI
UWZGLĘDNIAJĄCEJ EFEKT SWOBODNEJ
POWIERZCHNI CIECZY
∆
GM NA
OCENĘ STATECZNOŚCI STATKU USZKODZONEGO
METODĄ PRZYJĘTEJ MASY
Streszczenie:
Artykuł przedstawia analizę powszechnie stosowanej metody uwzględniania
wpływu przelewania się cieczy w zbiornikach/ładowniach zapełnionych częściowo, na
stateczność statku, w formie poprawki ∆
GM
. Opisane są ograniczenia metody.
Zaprezentowano porównanie wartości rzeczywistych momentów przechylających od przelania
się cieczy, z wartościami uwzględnionymi przez ∆
GM
. Przedstawione zostały sytuacje, gdy
stosowanie poprawki ∆
GM
może prowadzić do błędnej oceny sytuacji statecznościowej statku
po zatopieniu wnętrza kadłuba.
Słowa kluczowe
: stateczność statku, swobodne powierzchnie cieczy, stateczność awaryjna
1. WSTĘP
Prawidłowo wykonana ocena stateczności statku, jest jednym z podstawowych
warunków gwarantujących jego bezpieczną eksploatacje w stanie nieuszkodzonym oraz
warunkiem koniecznym podejmowania właściwych decyzji w sytuacjach awaryjnych, np.
zatopienia wnętrza. Jednym z ważniejszych elementów oceny stateczności statku, jest
uwzględnienie przemieszczania się, podczas przechyłu statku (np. przechył od wiatru,
kołysanie na fali), cieczy w zbiornikach/ładowniach zapełnionych częściowo. Zjawisko to
określane jest jako efekt swobodnych powierzchni cieczy. Powszechnie przyjętą metodą
uwzględniania przelewania się cieczy jest pozorne podniesienie środka masy statku o
wartość ∆
GM
nazywaną poprawką od swobodnych powierzchni cieczy.
Poprawka∆
GM
jest jednak dokładna tylko w obliczeniach dotyczących małych kątów
przechyłu. Przy dużych kątach daje zawyżone wartości, ale ponieważ powoduje to
powstanie dodatkowego zapasu stateczności statku mówi się, że obliczenia stoją po stronie
bezpiecznej i podejście takie jest akceptowane przez przepisy wszystkich instytucji
1
klasyfikacyjnych nadzorujących budowę i eksploatacje statków. W przypadku statku w
stanie nieuszkodzonym jedyną negatywną konsekwencją zastosowania poprawki
∆
GM
zawyżającej wpływ swobodnych powierzchni cieczy może być ograniczenie masy
przewożonego ładunku.
Sytuacja zmienia się zasadniczo podczas analizy stateczności statku w stanie
awaryjnym, przy zatapianiu wnętrza kadłuba. Jeżeli w wyniku zatopienia wnętrza
dochodzi do utraty stateczności statku, to zasadniczą przyczyną tego jest właśnie efekt
przelewania się wody w przedziałach zatopionych częściowo. Dlatego ważne jest, aby
obliczenia stateczności awaryjnej wykonywane były w miarę możliwości dokładnie.
Błędnie wykonana analiza stateczności statku w sytuacji awaryjnej może prowadzić do
jego utraty.
2. EFEKT SWOBODNYCH POWIERZCHNI CIECZY
Ciecz w zbiornikach/ładowniach zapełnionych częściowo (ze swobodną powierzchnią
cieczy), w trakcie przechylania statku ulega przemieszczeniu (przelaniu) w stronę burty, na
którą następuje przechył, dając dodatkowy moment przechylający powiększający przechył.
Pomijając dynamikę ruchu cieczy w zbiorniku, wartość tego momentu, przy danym kącie
przechyłu ϕ, określana jest według zależności:
M
(
ϕ
)
=
i
⋅
ρ
⋅
tg
ϕ
(1)
f
B
gdzie:
i
B
–poprzeczny moment bezwładności powierzchni cieczy w zbiorniku
przed jej przelaniem [m
4
],
ρ – gęstość cieczy w zbiorniku [t/m
3
].
W standardowej procedurze oceny stateczności statku przyjmuje się, że moment
M
f
wywołany przelaniem cieczy pomniejsza aktualny moment prostujący. W obliczeniach
efekt ten uzyskiwany jest poprzez pozorne podniesienie środka masy statku o wielkość
∆
GM
, nazywaną poprawką od swobodnych powierzchni cieczy [1, 2, 7]. Stosując
poprawkę ∆
GM
przyjmuje się, że tgϕ
≈ sinϕ, co jest poprawne tylko dla małych kątów ϕ.
Ponadto wyznaczanie wartości momentu
M
f
według zależności (1) zakłada, że:
•
burty zbiornika są prostopadłe względem PP na całej jego wysokości,
•
przelewanie cieczy w pomieszczeniu nie ma ograniczeń górnych (pokład nad
zbiornikiem) ani dolnych (dno zbiornika),
•
wartość
M
f
jest niezależna od masy cieczy w zbiorniku.
W efekcie, metoda uwzględniania wpływu swobodnych powierzchni cieczy, poprzez
poprawkę ∆
GM
, jest poprawna tylko przy małych kątach przechyłu i w wąskim zakresie
zapełnienia zbiornika/ładowni. Poza ograniczonym zbiorem argumentów, dla których
zależność (1) daje prawidłowe rezultaty, obliczone wartości
M
f
są zawyżone.
Na rys.2÷4 umieszczono wykresy prezentujące zakresy kątów przechyłu, przy których
standardowo liczona poprawka od swobodnych powierzchni cieczy ∆
GM
uwzględnia
rzeczywiste statyczne momenty przechylające wywołane przelaniem się cieczy. Linia
2
ciągła uwzględnia kąty przechyłu, przy których przelewanie cieczy jest ograniczone przez
dno zbiornika (rys.1/A), natomiast linia przerywana prezentuje kąty, przy których
przelewanie cieczy ograniczane jest przez pokład nad zbiornikiem (rys.1/B). Wartości
kątów wyznaczone zostały w funkcji stosunku wysokości zapełnienia zbiornika
h
z
do jego
szerokości
b
. Obliczenia wykonano dla zbiornika o kształcie prostopadłościanu przy
stosunku wysokości do szerokości zbiornika h/b: 1, 2 i 3. Z wykresów tych wyraźnie
wynika, że obszar prawidłowej prezentacji wpływu swobodnych powierzchni cieczy na
stateczność statku poprawką ∆
GM
, jest najmniejszy dla zbiorników niskich np. zbiorników
dna podwójnego.
A/
B/
Rys.1. Ograniczenie przelewania się cieczy przez dno zbiornika (A) oraz przez pokład nad zbiornikiem (B).
Źródło: opracowanie własne.
70
ϕ
60
50
h
=
1
40
b
30
20
10
h
z
/
b
0
0,01
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Rys.2. Obszar dokładnego uwzględniania wpływu swobodnych powierzchni cieczy poprawką ∆
GM
dla
zbiornika prostopadłościennego o wysokości równej jego szerokości w funkcji kąta przechyłu oraz
stosunku wysokości zapełnienia do szerokości zbiornika.
Źródło: opracowanie własne.
80
ϕ
70
h
60
=
2
50
b
40
30
20
10
h
z
/
b
0
0,01
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Rys.3. Obszar dokładnego uwzględniania wpływu swobodnych powierzchni cieczy poprawką ∆
GM
dla
zbiornika prostopadłościennego o wysokości dwukrotnie większej od szerokości, w funkcji kąta
przechyłu oraz stosunku wysokości zapełnienia do szerokości zbiornika.
Źródło: opracowanie własne.
3
90
ϕ
80
70
h
60
=
3
b
50
40
30
20
10
0
h
z
/
b
0,01
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3
Rys.4. Obszar dokładnego uwzględniania wpływu swobodnych powierzchni cieczy poprawką ∆
GM
dla
zbiornika prostopadłościennego o wysokości trzykrotnie większej od szerokości, w funkcji kąta
przechyłu oraz stosunku wysokości zapełnienia do szerokości zbiornika.
Źródło: opracowanie własne.
Na rysunku 5 przedstawiono różnice wartości momentu przechylającego wywołanego
przelaniem się cieczy obliczone zależnością (1) w stosunku do rzeczywistych wartości
tego momentu. Obliczenia wykonano dla przedziału prostopadłościennego o długości
l
=20 m, szerokości
b
=20 m i wysokości bez ograniczeń, przyjmując wysokość zatopienia
h
z
=2 m. Rzeczywiste momenty przechylające wywołane przelaniem się cieczy po
przekroczeniu kąta granicznego dla poprawki ∆
GM
11,3° (rys.2
h
z
/
b
=0.1) wyznaczono
zależnością wyprowadzoną dla układu jak na rys.1/A:
⎛
⎞
2
b
⋅
h
⎜
⎟
z
⎜
b
tg
ϕ
⎟
(2)
M
(
ϕ
)
=
l
⋅
b
⋅
h
⋅
ρ
−
⎜
⎟
f
z
2
3
⎜
⎟
⎝
⎠
18000
M
f
[tm]
16000
14000
12000
10000
zależność (1)
8000
zależnoś
ć
(2)
6000
4000
2000
ϕ
0
0
5
10
20
30
40
50
Rys.5. Porównanie wartości rzeczywistego momentu przechylającego (linia przerywana) wywołanego
przelaniem się cieczy (wysokość zatopienia 2 m) w przedziale prostopadłościennym o długości
l
=20
m, szerokości
b
=20 m i wysokości bez ograniczeń z momentem policzonym zależnością (1).
Źródło: opracowanie własne.
4
Stosowanie, przy eksploatacyjnej ocenie stateczności statku, poprawki ∆
GM
poprzez
zawyżanie wartości momentu
M
f
powiększa zapas bezpieczeństwa. Wartość tego
dodatkowego zapasu stateczności jest jednak różna w zależności od kształtu zbiornika,
stopnia jego zapełnienia oraz kąta przechyłu. Zwiększanie zapasu stateczności uznawane
jest za prawidłowe działanie, ale w niektórych sytuacjach użycie poprawki ∆
GM
, może
prowadzić do całkowicie błędnej oceny sytuacji statecznościowej statku. Szczególną
uwagę należy zwrócić na ocenę stateczności statku w stanach awaryjnych, przy zatapianiu
wnętrza kadłuba.
3. OCENA STATECZNOŚCI STATKU
W PRZYPADKU ZATOPIENIA WNĘTRZA KADŁUBA
Awaria połączona z zatapianiem wnętrza kadłuba jest zdarzeniem losowym, najczęściej
przebiegającym gwałtownie - wnętrze kadłuba zostaje zatopione do poziomu wody
zaburtowej w stosunkowo krótkim okresie czasu. Bez specjalistycznego programu
komputerowego, w większości przypadków wykonanie obliczeń stateczności statku w
końcowym jak i pośrednich stanach zatopienia, przed zakończeniem zatapiania wnętrza,
nie jest możliwe. Są jednak sytuacje, gdy zatapianie wnętrza przebiega stosunkowo wolno
(niewielkie uszkodzenie poszycia) lub jest przesunięte w czasie (np. gaszenie pożaru w
ładowni poprzez jej częściowe zatopienie). Wcześniejsze wyznaczenie parametrów, jakie
uzyska statek w tych przypadkach jest możliwe.
W zależności od parametrów jednostki w stanie awaryjnym podejmowane są bardzo
ważne decyzje, w skrajnym przypadku dotyczące opuszczenia statku. Dlatego ważne jest,
aby w sytuacji takiej parametry statecznościowe określone zostały w możliwie dokładny
sposób. Do wyznaczania parametrów statku z zatopionym wnętrzem stosowane są dwie
metody: stałej wyporności oraz przyjętej masy.
Metodę stałej wyporności, nazywaną również metodą utraconej wyporności, stosuje się,
jeśli ilość wody, która wlała się do kadłuba zmienia się w funkcji czasu. Sytuacja taka ma
miejsce, gdy uszkodzenie kadłuba jest duże oraz gdy jego dolna granica znajduje się
poniżej a górna powyżej wodnicy pływania. W trakcie ruchów statku na fali woda się
wlewa i wylewa z wnętrza kadłuba – ustalenie dokładnej masy wody w kadłubie nie jest
możliwe. W uproszczeniu, metoda ta zakłada, że statek w wyniku awarii utracił fragment
podwodzia (zatapiany przedział), w konsekwencji czego zmianie ulega kształt zanurzonej
części kadłuba. Ponieważ doszło do utraty fragmentu podwodzia (wyporności) statek
zanurza się do wodnicy awaryjnej. Efekt swobodnych powierzchni cieczy w zatapianym
przedziale uwzględniany jest jako utrata fragmentu wodnicy pływania. Wyznaczenie
parametrów statku w sytuacji awaryjnej metodą stałej wyporności, w sytuacji, gdy na
statku nie ma specjalistycznego programu komputerowego nie jest możliwe, wymaga
bowiem obliczenia danych hydrostatycznych oraz pantokaren dla kadłuba o zmienionym
kształcie. Dokładny opis metody można znaleźć w [1].
Metodę przyjętej masy stosuje się, gdy można dokładnie określić masę wody w
zatapianym przedziale - woda traktowana jest jak dodatkowa masa przyjęta na statek.
Momenty przechylające wywołane przelewaniem się wody, uwzględniane są poprzez
5
Plik z chomika:
djlysy
Inne pliki z tego folderu:
183szpytko-hyla-art.pdf
(428 KB)
182szpytko-gbyl-art.pdf
(387 KB)
185Szymanek-poprawiony-art.pdf
(277 KB)
186szymanowski-popr-art.pdf
(698 KB)
187Szymański, Sawczuk-art.pdf
(557 KB)
Inne foldery tego chomika:
ANALIZA STANU BHP
B H P - F I L M Y
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY(1)
BHP
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin